CN108677254B - 熔喷喷嘴和纤维制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔喷喷嘴和纤维制备装置，熔喷喷嘴包括：用于喷出第一气流的第一气流通道，外套于所述第一气流通道且用于喷出丝条的环形喷丝孔，位于所述环形喷丝孔的外侧且用于喷出第二气流的第二气流通道；其中，所述第一气流和所述第二气流均用于拉伸所述丝条。上述熔喷喷嘴中，第一气流在丝条内部形成气体流场，第二气流在丝条外部作用，即第一气流和第二气流分别从丝条的内外共同对丝条进行拉伸，与现有技术仅采用丝条外部的气流对丝条进行拉伸相比，有效提高了拉伸效果，从而减小了熔喷纤维的直径；上述熔喷喷嘴，仅需在原有的熔喷喷嘴的基础上设置第一气流通道即可，不必做其他改变，有效降低了熔喷喷嘴的加工难度，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及纤维制备技术领域，更具体地说，涉及一种熔喷喷嘴和纤维制备装置。
背景技术
非织造布是指不经通常的纺纱织布工序由纤维直接制成的片状制品，俗称无纺布。非织造的优点是工艺流程短、生产速度高、产品用途广。熔喷法是一种主要用于制备超细纤维非织造布的方法。熔喷法利用高速高温气流将聚合物熔体拉伸成超细纤维。超细纤维的直径在1μm至5μm之间。熔喷非织造布由于纤维超细、孔隙多、孔径小，具有树根状通道体系，过滤效率达99.9％以上，广泛用于医药、冶金、电子、化工、食品、机械、核工业、汽车等领域，还可用作环境净化和生物洁净的高级过滤材料。
熔喷非织造技术的重要发展趋势是在基本不增加能耗的前提下制备出更细的纤维，甚至是纳米纤维。如果纤维能细至纳米级，那么其制品的过滤性能和吸附性能将大大提高，在环保、医药、国防、电子等领域的应用前景将更加广泛。
纤维的进一步变细主要通过改进原料、工艺和设备来实现。在原料方面，主要是通过提高聚合物的熔融流动速率(Melt Flow Rate，简称MFR)来实现。但是，熔融流动速率越高，原料的价格越贵，则生产成本越高。在工艺方面，主要是通过降低聚合物流量和提高气体初始速度来实现。但是，聚合物流量过低，非织造布的产量也过低；而气体初始速度过高，则能耗会急剧增加，生产成本较高。
为了进一步使纤维变细，大多从设备入手，大部分改进都是围绕熔喷喷嘴展开的。该熔喷喷嘴主要包括：用于喷射聚合物熔体以形成丝条的喷丝孔，位于喷丝孔外侧且用于喷射气流的气流通道；其中，气流通道喷出的气流用于拉伸丝条，以获得熔喷纤维。例如，专利US3825380采用尖头喷嘴制备更细的熔喷纤维，尖头喷嘴大大减小了气体流场在喷丝孔出口附近的回流区，增大了气流对聚合物熔体的拉伸作用，从而制得了更细的纤维。该尖头喷嘴的缺点是尖头喷嘴的加工精度要求很高，喷丝孔的加工难度大。减小喷丝孔直径和增加喷丝孔长径比也可以减小纤维直径，但均会导致喷丝孔的加工难度增加，过小的喷丝孔直径也使熔喷技术的原料适应性变差。
综上所述，如何提供一种熔喷喷嘴，以减小熔喷纤维的直径，同时降低熔喷喷嘴的加工难度，节约成本，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种熔喷喷嘴，以减小熔喷纤维的直径，同时降低熔喷喷嘴的加工难度，节约成本。本发明的另一目的是提供一种具有上述熔喷喷嘴的纤维制备装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种熔喷喷嘴，包括：用于喷出第一气流的第一气流通道，外套于所述第一气流通道且用于喷出丝条的环形喷丝孔，位于所述环形喷丝孔的外侧且用于喷出第二气流的第二气流通道；其中，所述第一气流和所述第二气流均用于拉伸所述丝条。
优选地，所述第一气流和所述第二气流具有压力差，且所述压力差大于所述丝条的表面张力。
优选地，所述第一气流的压力大于所述第二气流的压力。
优选地，所述第二气流的压力大于所述第一气流的压力。
优选地，所述第一气流通道和所述环形喷丝孔共轴线。
优选地，所述第二气流通道位于所述环形喷丝孔的两侧，位于所述环形喷丝孔两侧的所述第二气流通道关于所述环形喷丝孔的轴线对称设置。
优选地，所述第二气流通道相对于所述环形喷丝孔倾斜设置，且位于所述环形喷丝孔两侧的两个所述第二气流通道的轴线的夹角取值范围为45°-75°。
优选地，所述第一气流通道的横截面呈圆形，所述第二气流通道的横截面呈矩形，所述环形喷丝孔呈圆环形；
其中，所述第一气流通道的直径取值范围为0.1mm-0.8mm；所述环形喷丝孔的内半径和外半径的差值取值范围为0.2mm-0.53mm；所述第二气流通道的出口宽度取值范围为0.5mm-0.7mm。
优选地，所述第一气流通道由第一气源供给气体，所述第二气流通道由第二气源供给气体，所述第一气源和所述第二气源相互独立。
基于上述提供的熔喷喷嘴，本发明还提供了一种纤维制备装置，该纤维制备装置包括熔喷喷嘴，该熔喷喷嘴为上述任一项所述的熔喷喷嘴。
本发明提供的熔喷喷嘴中，第一气流通道喷出第一气流，第二气流通道喷出第二气流，聚合物熔体从环形喷丝孔挤出后形成丝条，该丝条立即遇到第一气流和第二气流。由于环形喷丝孔是环形结构，而环形喷丝孔外套于第一气流通道，因此丝条就包裹在第一气流的周围，形成空心结构的丝条，第一气流则在丝条内部形成气体流场。丝条同时还受到第二气流的作用，即第一气流和第二气流分别从丝条的内外共同对丝条进行拉伸，与现有技术仅采用丝条外部的气流对丝条进行拉伸相比，有效提高了拉伸效果，从而减小了熔喷纤维的直径；上述熔喷喷嘴，仅需在原有的熔喷喷嘴的基础上设置第一气流通道即可，不必做其他改变，有效降低了熔喷喷嘴的加工难度，节约了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的熔喷喷嘴的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的熔喷喷嘴包括：用于喷出第一气流的第一气流通道3，外套于第一气流通道3且用于喷出丝条的环形喷丝孔1，位于环形喷丝孔1的外侧且用于喷出第二气流的第二气流通道2；其中，第一气流和第二气流均用于拉伸丝条。
可以理解的是，第一气流通道3的轴向、第二气流通道2的对称轴方向和环形喷丝孔1的轴向大致一致，以保证第一气流和第二气流的主要运动方向与环形喷丝孔1的轴向一致，从而保证第一气流和第二气流拉伸丝条。
需要说明的是，上述第二气流通道2的对称轴，是指单个第二气流通道2自身的对称轴。该对称轴方向与第二气流通道2的长度方向相同。
本发明实施例提供的熔喷喷嘴中，第一气流通道3喷出第一气流，第二气流通道2喷出第二气流，聚合物熔体从环形喷丝孔1挤出后形成丝条，该丝条立即遇到第一气流和第二气流。由于环形喷丝孔1是环形结构，而环形喷丝孔1外套于第一气流通道3，因此丝条就包裹在第一气流的周围，形成空心结构的丝条，第一气流则在丝条内部形成气体流场。同时，丝条还受到第二气流的作用，即第一气流和第二气流分别从丝条的内外共同对丝条进行拉伸，与现有技术仅采用丝条外部的气流对丝条进行拉伸相比，有效提高了拉伸效果，从而减小了熔喷纤维的直径；同时，上述熔喷喷嘴仅需在原有的熔喷喷嘴的基础上设置第一气流通道3即可，无需做其他改变，有效降低了熔喷喷嘴的加工难度，节约了成本。
为了进一步细化丝条，获得纳米纤维，上述第一气流和第二气流具有压力差，且压力差大于丝条的表面张力。
具体地，当第一气流和第二气流共同对丝条进行拉伸时，当第一气流和第二气流的压力差超过丝条的表面张力时，丝条就会爆裂开来，形成纳米纤维。
对于上述压力差的具体数值，根据丝条具体材料进行设定，本发明实施例对此不做限定。
进一步地，上述第一气流通道和第二气流通道的供气量之和与现有的熔喷喷嘴的供气量相等，则可以在基本不增加能耗的前提下减小熔喷纤维的直径。上述熔喷喷嘴所制备的纤维的直径比现有的熔喷喷嘴所制备的纤维的直径减少70％以上，达到纳米级尺度。
上述第一气流和第二气流具有压力差，具体地，第一气流的压力大于第二气流的压力，或者第二气流的压力大于第一气流的压力。
为了提高拉伸效果，进一步细化熔喷纤维，优先选择第一气流的压力大于第二气流的压力。
为了提高第一气流的作用效果，上述第一气流通道3和环形喷丝孔1共轴线。这样，使得第一气流位于丝条的正中间，提高了丝条的受力均匀性。
当然，可选择上述第一气流通道3和环形喷丝孔1不共轴线设置，并不局限于此。
为了提高第二气流的作用效果，上述第二气流通道2位于环形喷丝孔1的两侧。进一步地，位于环形喷丝孔1两侧的第二气流通道2关于环形喷丝孔1的轴线对称设置。
对于环形喷丝孔1的数目，根据实际需要进行选择。例如，环形喷丝孔1至少为两个，则第二气流通道2为两排，每排中，第二气流通道2的分布方向与环形喷丝孔1的分布方向一致。
上述第二气流通道2的对称轴可平行于环形喷丝孔1的轴线，也可与环形喷丝孔1的轴线相对倾斜设置。为了便于第二气流作用于丝条，上述第二气流通道2相对于环形喷丝孔1倾斜设置，即上述第二气流通道2的对称轴相对于环形喷丝孔1的轴线倾斜设置。可以理解的是，为了保证第二气流作用于丝条，第二气流通道2自其入口至其出口向环形喷丝孔1倾斜。
对于第二气流通道2的倾斜角度，根据实际需要进行选择。为了便于保证第二气流拉伸丝条，位于环形喷丝孔1两侧的两个第二气流通道2的对称轴的夹角取值范围为45°-75°。
上述熔喷喷嘴中，也可选择上述夹角的取值范围为其他数值，只要保证第二气流能够拉伸丝条即可，并不局限于上述实施例。
当然，也可选择其他方式布置第二气流通道，例如，第二气流通道2至少为两个，且沿环形喷丝孔1的周向分布。
优选地，上述第一气流通道3的横截面呈圆形，第二气流通道2的横截面呈矩形，环形喷丝孔1呈圆环形。
进一步地，第一气流通道3的直径取值范围为0.1mm-0.8mm；环形喷丝孔1的内半径和外半径的差值取值范围为0.2mm-0.53mm；第二气流通道2的出口宽度取值范围为0.5mm-0.7mm。
当然，也可选择上述第一气流通道3、第二气流通道2以及环形喷丝孔1为其他形状，并不局限于上述实施例，例如，第一气流通道3呈椭圆形，环形喷丝孔1呈椭圆环形，第二气流通道2呈腰形。
为了便于向第一气流通道3和第二气流通道2供给气体，上述第一气流通道3由第一气源供给气体，第二气流通道2由第二气源供给气体，且第一气源和第二气源相互独立。
特别是，当第一气流和第二气流具有压力差时，采用上述供给方式，更加便于保证第一气流和所述第二气流具有压力差，进一步方便了供给。
上述熔喷喷嘴中，环形喷丝孔1和第一气流通道3设置在喷嘴中间块4上，喷嘴边块5和喷嘴中间块4之间形成第二气流通道2。当然，可选择上述环形喷丝孔1和第一气流通道3以及第二气流通道2通过其他结构形成，并不局限于此。
为了更为具体的突出本发明实施例提供的熔喷喷嘴的优点，下面根据五个具体实施例进行说明。
实施例一
聚合物熔体从环形喷丝孔挤出形成丝条，高速的第一气流从第一气流通道喷出，同时，高速的第二气流从第二气流通道喷出。其中，两个第二气流通道的夹角为60°，第二气流通道的出口宽度e为0.6mm，第一气流通道的直径c为0.1mm，环形喷丝孔的内外半径的差值d为0.35mm。提供原料聚丙烯，聚丙烯的熔融流动速率为1000g/10min，聚丙烯的流量为0.022g/s，聚丙烯的初始温度为290℃，第一气流的压力为350kPa，第二气流的压力为150kPa，现有的熔喷双槽形喷嘴的气体压力为500kPa，气体初始温度为310℃。
上述条件下制得的熔喷纤维的直径平均值为221nm，而同等条件下常规熔喷双槽形喷嘴所制备的熔喷纤维的直径平均值为1.02μm。采用本发明提供的熔喷喷嘴后，熔喷纤维的直径比原来减少了78.3％。
实施例二
聚合物熔体从环形喷丝孔挤出形成丝条，高速的第一气流从第一气流通道喷出，同时，高速的第二气流从第二气流通道喷出。其中，两个第二气流通道的夹角为60°，第二气流通道的出口宽度e为0.6mm，第一气流通道的直径c为0.8mm，环形喷丝孔的内外半径的差值d为0.53mm。提供原料聚丙烯，聚丙烯的熔融流动速率为75g/10min，聚丙烯的流量为0.006g/s，聚丙烯的初始温度为310℃，第一气流的压力为260kPa，第二气流的压力为190kPa，现有的熔喷双槽形喷嘴的气体压力为450kPa，气体初始温度为380℃。
上述条件下制得的熔喷纤维的直径平均值为558nm，而同等条件下常规熔喷双槽形喷嘴所制备的熔喷纤维的直径平均值为1.91μm。采用本发明提供的熔喷喷嘴后，熔喷纤维的直径比原来减少了70.8％。
实施例三
聚合物熔体从环形喷丝孔挤出形成丝条，高速的第一气流从第一气流通道喷出，同时，高速的第二气流从第二气流通道喷出。其中，两个第二气流通道的夹角为60°，第二气流通道的出口宽度e为0.6mm，第一气流通道的直径c为0.2mm，环形喷丝孔的内外半径的差值d为0.36mm。提供原料聚丙烯，聚丙烯的熔融流动速率为800g/10min，聚丙烯的流量为0.031g/s，聚丙烯的初始温度为280℃，第一气流的压力为350kPa，第二气流的压力为200kPa，现有的熔喷双槽形喷嘴的气体压力为550kPa，气体初始温度为300℃。
上述条件下制得的熔喷纤维的直径平均值为273nm，而同等条件下常规熔喷双槽形喷嘴所制备的熔喷纤维的直径平均值为1.18μm。采用本发明提供的熔喷喷嘴后，熔喷纤维的直径比原来减少了76.9％。
实施例四
聚合物熔体从环形喷丝孔挤出形成丝条，高速的第一气流从第一气流通道喷出，同时，高速的第二气流从第二气流通道喷出。其中，两个第二气流通道的夹角为60°，第二气流通道的出口宽度e为0.6mm，第一气流通道的直径c为0.6mm，环形喷丝孔的内外半径的差值d为0.46mm。提供原料聚丙烯，聚丙烯的熔融流动速率为100g/10min，聚丙烯的流量为0.008g/s，聚丙烯的初始温度为290℃，第一气流的压力为270kPa，第二气流的压力为180kPa，现有的熔喷双槽形喷嘴的气体压力为450kPa，气体初始温度为330℃。
上述条件下制得的熔喷纤维的直径平均值为473nm，而同等条件下常规熔喷双槽形喷嘴所制备的熔喷纤维的直径平均值为1.74μm。采用本发明提供的熔喷喷嘴后，熔喷纤维的直径比原来减少了72.8％。
实施例五
聚合物熔体从环形喷丝孔挤出形成丝条，高速的第一气流从第一气流通道喷出，同时，高速的第二气流从第二气流通道喷出。其中，两个第二气流通道的夹角为60°，第二气流通道的出口宽度e为0.6mm，第一气流通道的直径c为0.4mm，环形喷丝孔的内外半径的差值d为0.2mm。提供原料聚丙烯，聚丙烯的熔融流动速率为800g/10min，聚丙烯的流量为0.057g/s，聚丙烯的初始温度为280℃，第一气流的压力为300kPa，第二气流的压力为200kPa，现有的熔喷双槽形喷嘴的气体压力为500kPa，气体初始温度为290℃。
上述条件下制得的熔喷纤维的直径平均值为428nm，而同等条件下常规熔喷双槽形喷嘴所制备的熔喷纤维的直径平均值为1.62μm。采用本发明提供的熔喷喷嘴后，熔喷纤维的直径比原来减少了73.6％。
上述五个实施例仅是具体描述，各个参数的具体数值，并不局限于上述五个实施例。
基于上述实施例提供的熔喷喷嘴，本发明实施例还提供了一种纤维制备装置，该纤维制备装置包括熔喷喷嘴，该熔喷喷嘴为上述实施例所述的熔喷喷嘴。
由于上述熔喷喷嘴具有上述技术效果，上述纤维制备装置具有上述熔喷喷嘴，则上述纤维制备装置也具有相应的技术效果，本文不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种熔喷喷嘴，其特征在于，包括：用于喷出第一气流的第一气流通道（3），外套于所述第一气流通道（3）且用于喷出丝条的环形喷丝孔（1），位于所述环形喷丝孔（1）的外侧且用于喷出第二气流的第二气流通道（2）；其中，所述第一气流和所述第二气流均用于拉伸所述丝条；
所述第一气流和所述第二气流具有压力差，且所述压力差大于所述丝条的表面张力。
2.根据权利要求1所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第一气流的压力大于所述第二气流的压力。
3.根据权利要求1所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第二气流的压力大于所述第一气流的压力。
4.根据权利要求1所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第一气流通道（3）和所述环形喷丝孔（1）共轴线。
5.根据权利要求1所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第二气流通道（2）位于所述环形喷丝孔（1）的两侧，位于所述环形喷丝孔（1）两侧的所述第二气流通道（2）关于所述环形喷丝孔（1）的轴线对称设置。
6.根据权利要求5所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第二气流通道（2）相对于所述环形喷丝孔（1）倾斜设置，且位于所述环形喷丝孔（1）两侧的两个所述第二气流通道（2）的轴线的夹角取值范围为45°-75°。
7.根据权利要求1所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第一气流通道（3）的横截面呈圆形，所述第二气流通道（2）的横截面呈矩形，所述环形喷丝孔（1）呈圆环形；
其中，所述第一气流通道（3）的直径取值范围为0.1 mm-0.8 mm；所述环形喷丝孔（1）的内半径和外半径的差值取值范围为0.2 mm-0.53 mm；所述第二气流通道（2）的出口宽度取值范围为0.5 mm-0.7 mm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的熔喷喷嘴，其特征在于，所述第一气流通道（3）由第一气源供给气体，所述第二气流通道（2）由第二气源供给气体，所述第一气源和所述第二气源相互独立。
9.一种纤维制备装置，包括熔喷喷嘴，其特征在于，所述熔喷喷嘴为如权利要求1-8中任一项所述的熔喷喷嘴。
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